Как и зачем расшифровывают геном, сколько это стоит и чего ждать в будущем от геномных технологий, рассказал Infox.ru заведующий лабораторией биоинформатики ФГУП «ГосНИИгенетика» Всеволод Макеев.
Заведующий лабораторией биоинформатики ФГУП «ГосНИИгенетика» Всеволод Макеев рассказал Infox.ru, как делается расшифровка генома, сколько она стоит и чего ожидать от нее в будущем. С докладом на эту тему Макеев выступит на следующей неделе перед ведущими биотехнологами мира в Москве на конгрессе «ЕвразияБио-2010».
Зачем нужно секвенирование
«Применений у расшифровки последовательности нуклеотидов и аминокислот очень много. Больше всего геномные технологии используются при работе с организмами, применяемыми в биотехнологиях, такими как бактерии и дрожжи. Во-первых, чтобы понимать, какие белки есть у бактерий, и на основании этого прогнозировать их особенности. Например, если у бактерии нет фермента, расщепляющего какой-то сахар, то и растить ее на питательной среде из этого сахара бессмысленно. Во-вторых, последовательность ДНК очень важна в генной инженерии микроорганизмов. Там нужно точно знать, в каком месте отрезать какой-то ген и в какое место его следует переставить».
«Важно секвенирование и для человека. Во-первых, в таких прикладных аспектах, как криминалистика. Впрочем, для этих целей полномасштабная расшифровка всего генома не нужна. Для этих целей вообще используется митохондриальная ДНК: не геномные молекулы в ядре клетки, а находящиеся в митохондриях. Они короче и быстрее мутируют, так что вариабельность у них выше, а анализировать их намного проще. Более сложно и интересно использование в медицине; существует огромное количество в разной мере наследственных заболеваний. Гены, которые отвечают за эти болезни, полезно знать, чтобы проводить диагностику предрасположенности. Есть болезни мультигенные, например сахарный диабет или рассеянный склероз. В таких случаях необходимо сочетание определенных вариантов нескольких генов, чтобы болезнь развилась. Например, сахарный диабет чаще возникает у людей со второй группой крови. И так как нет какого-то единственного гена, ответственного за подобные заболевания, желательно анализировать уже полный геном».
Что же получают в ходе секвенирования
«Данные о последовательностях аминокислот в белках или нуклеотидов в нуклеиновых кислотах появляются в огромном количестве. Как правило, их выкладывают в общий доступ, где они доступны для работы. Правда, нужно очень четко понимать, что же именно они предоставляют. Вопреки расхожим представлениям, единая непрерывная последовательность в ходе анализа сразу не получается. Предел качественной работы приборов находится в районе 1000 нуклеотидов. Попытки получать более длинные последовательности оказались дорогими и неэффективными, так что в обычной работе они практически не используются. Хотя, конечно, у длинных фрагментов есть свои преимущества, например, когда нужно установить взаимную корреляцию изменений в двух достаточно удаленных друг от друга участках одной и той же молекулы ДНК».
«На практике получают в большом количестве короткие фрагменты ДНК произвольной длины. Для этого используется ультразвук или ферменты, «разрезающие» нить ДНК. Иногда каждый фрагмент еще размножают в большом количестве -- благодаря ферментам, осуществляющим копирование. И определяют последовательность нуклеотидов в нем. Путем сопоставления пересечений компьютерные программы генерируют единую последовательность. Обычно восстанавливают фрагменты различной длины: от десяти тысяч до миллионов нуклеотидов. Сложности возникают из-за повторяющихся много раз одинаковых участков молекулы ДНК, что не дает возможности однозначно разрешить линейную последовательность по фрагментам».
«На следующем этапе полученные длинные фрагменты ДНК сшивают, сопоставляя их различными экспериментальными методами с исходной ДНК. Методов чтения коротких фрагментов существует около десятка, они различаются по стоимости анализа, скорости, вероятности ошибки и возможности проводить несколько анализов параллельно. И основное направление сейчас -- не увеличение длины последовательности одного фрагмента, а увеличение количества небольших фрагментов, параллельно прочитанных с одной и той же молекулы ДНК в случайных местах. Их получать проще и дешевле. Анализ полностью автоматизирован, патентами на технологии обычно владеют фармацевтические и биотехнологические компании. На Западе рынок геномных услуг существует, доступны коммерческие анализы».
Финансовый вопрос
«Сейчас одна качественно прочитанная буква в ходе анализа стоит один цент. И это много. Если уменьшить это число еще на два порядка, то будет уже нормально, примерно столько же стоит и дорогой медицинский анализ. Для вируса секвенирование стоит 2000 долларов и занимает максимум неделю. Дрожжевой геном в Европе делают за 30 000 евро, анализ занимает несколько недель. В 2007 году сделали геном первооткрывателя структуры ДНК Джеймса Уотсона, что заняло два месяца и стоило миллион долларов. Это намного дешевле, чем проект генома человека. Но уже имеющиеся данные о строении известного к тому времени генома человека, по всей видимости, активно использовались. Вообще геном всех людей на 98-99% совпадает, поэтому если он уже один раз расшифрован, для большинства практических задач каждый раз делать секвенирование всего генома не нужно. Компьютерные программы способны увидеть отличие в одном нуклеотиде на характерном участке и картировать его. Если искать конкретные персональные различия (скажем, в интересующих нас генах, определяющих предрасположенность к болезням) -- это тоже можно сделать без полного определения последовательности генома».
Куда двигаться дальше
«В 2006 году фонд X-prize объявил приз в 10 миллионов долларов тому, кто создаст прибор, который секвенирует геном 100 людей одновременно за срок менее 10 дней с предоставлением не менее 98% полной длины последовательности, причем стоимость каждого будет не более 10 000 долларов. Пока претензию на приз никто не предъявил, но направление именно такое. В этой области есть большое количество стартапов. Развитые страны предполагают, что в ближайшее десятилетие смогут читать геномы новорожденных, что должно оказать сильное влияние на диагностику и стоимость медицинского страхования. Но все последствия подобных нововведений пока сложно предсказать».
